CN112627728B - 一种可在井下调整定向钻具工具面角的钻具 - Google Patents

Abstract

一种可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，包括外管、液压部分、传扭部分和钻头部分；所述液压部分设置在外管内壁上端，且传扭部分设置在外管内壁下端；所述钻头部分与传扭部分下端连接；所述液压部分包括扇叶件、复位机构和传动机构；所述传动机构设置在外管内部上端，且传动机构外壁上设置有扇叶件和复位机构；所述复位机构和扇叶件连接；所述扇叶件设置在传动机构上，且复位机构固接外管内壁上；所述传动机构包括连接杆、限位杆、传动丝杠和上传扭轴；所述连接杆、限位杆、传动丝杠和上传扭轴依次首尾相连。本发明提高了角度调节精度和操作灵活性。

Description

一种可在井下调整定向钻具工具面角的钻具

技术领域

本发明涉及一种钻具，特别是一种可在地下钻进的过程中实时调整钻进角度的钻具，属于地质勘探技术领域。

随着钻探技术的飞速发展，以及石油与天然气、地热能等地下能源资源的勘探开发需要，定向井技术逐渐发展成为油气、地质钻探中极为重要的一种技术；定向钻探相比其他常规的钻探方法具有诸多优点，其能够根据现场的施工情况及时调整钻头的钻进角度；目前国内外定向作业主要采用井下动力钻具配合弯接头，或使用弯外壳井下动力钻具；动力钻具上侧连接无磁钻具，无磁钻具内固定放置MWD等随钻测井工具实时测量并传输井斜、方位、井温、工具面角等参数；定向钻进时，一般通过调整弯接头或弯外壳动力钻具的工具面角，来实现降斜、增斜、降方位、增方位等动作，确保井眼轨迹尽量与设计方案吻合；而目前主要是通过地表的转盘或顶驱等动力设备旋转带动下部钻具旋转，再结合MWD实时反馈的工面角数据来进行井下动力钻具的工具面角调整；对于井深较浅且井斜较小的井眼，通过现有的转动全井钻具方式来调整工具面角的方式效果较好、可操作性也较强但对于深井、井斜稍大的井眼，由于钻具较长、摩阻较高且反扭力较大，通过旋转全井钻具的方式调整工具面角的方式可操作性极差，调整工具面角花费时间较长；特别是当钻井设备频繁故障需要将钻头提离井底或进尺较快接单根频繁时，需要频繁进行工具面角调整，工作量较大；同时由于钻具反扭导致调整好的工具面角在加压钻进时扭力释放工具面角发生变化，导致角度调整误差大；故需要一种结构简单，能以较高精度在井下调整定向钻具工具面角的钻具。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，它可操作性强，能够更容易调整钻进角度，且调整的钻进角度精度高。

本发明所述问题是通过以下技术方案解决的：

一种可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，包括外管、液压部分、传扭部分和钻头部分；所述液压部分设置在外管内壁上端，且传扭部分设置在外管内壁下端；所述钻头部分与传扭部分下端连接；所述液压部分包括扇叶件、复位机构和传动机构；所述传动机构设置在外管内部上端，且传动机构外壁上设置有扇叶件和复位机构；所述复位机构和扇叶件连接；所述扇叶件设置在传动机构上，且复位机构固接外管内壁上；所述传动机构包括连接杆、限位杆、传动丝杠和上传扭轴；所述连接杆、限位杆、传动丝杠和上传扭轴依次首尾相连；所述扇叶件包括叶环和叶片；所述叶环固定套接在连接杆的外壁上，且叶片周向对称设置在叶环外壁上；所述复位机构包括复位弹簧和限位丝杠螺母；所述限位丝杠螺母的外壁固接在外管内壁上；所述限位丝杠螺母和叶环之间设有复位弹簧，且复位弹簧套设在传动机构上；所述限位丝杠螺母内壁上的内螺纹与传动丝杠外壁上的外螺纹相互啮合；所述限位丝杠螺母的外沿部分在轴向方向上设置有多个通孔；所述传动丝杠外壁上设置有多个指向轴心的贯穿性通孔。

上述可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，所述传扭部分包括导液管、下传扭轴、连接轴、轴承件、防反转机构和限位接头；所述导液管设置在下传扭轴内部的通孔内；所述轴承件的外壁与外管的内壁下端过盈配合，轴承件的内壁与下传扭轴的外壁过盈配合；所述限位接头外壁与外管内壁底端螺纹连接，且限位接头的上端面和连接轴外壁上端的台阶孔卡接配合，连接轴穿过限位接头内部的通孔；所述防反转机构的上端面连接下传扭轴的下端面，防反转机构的下端面与连接轴的上端面连接。

上述可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，所述防反转机构包括上转环和下转环；所述上转环的上端面固接下传扭轴的下端面；所述下转环的下端面和连接轴的上端面固接；所述上转环的下端面和下转环的上端面贴合接触；所述上转环的下端面设置有若干个弧形槽；所述弧形槽内侧壁的一端设置有推块，推块内穿设有转轴，且转轴的两端设置在弧形槽内侧壁上；所述下转环的上端面设置有环形槽，且环形槽内周向对称设置有若干个定位块，且定位块的数量与推块数量相同。

上述可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，所述定位块的高度小于环形槽的深度；所述推块突出弧形槽部分的长度等于环形槽的深度；所述推块的厚度小于弧形槽的深度。

上述可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，所述上传扭轴和下传扭轴均为半圆柱状，且其横截面由半圆和S形曲线围成一个封边曲线，上传扭轴和下传扭轴上之间的S形曲线所对应的面完全贴合组成一个完成的圆柱体。

上述可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，所述连接杆、限位杆、传动丝杠、上传扭轴、下传扭轴、防反转机构和连接轴的内部在轴心线方向上设置有等内径的通孔；所述下传扭轴内的通孔内径等于导液管外径。

上述可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，所述限位杆外壁上端周向对称设置有若干个限位键；所述限位杆本体的外径小于限位丝杠螺母的内径。

上述可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，所述钻头部分包括无磁钻具、动力钻具和钻头；所述无磁钻具、动力钻具和钻头首尾依次连接，且无磁钻具与连接轴的下端连接。

上述可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，增设有密封槽和密封凸环；所述上转环下端面在靠近内孔边缘和外圆周处均设置有密封凸环，密封凸环为圆环状凸起；所述下转环上端面在靠近内部通孔边缘和外圆周处均设置有密封槽，密封槽为圆环状凹槽，且密封凸环插接入相对应的密封槽内。

上述可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，所述推块与弧形槽弧形端的端面最近距离大于弧形槽的深度。

本发明通过液压部分和传扭部分的配合有效地通过控制钻井液的液压来控制定向钻具工具面角，极大简化了定向钻具工具面角的步骤，提高了工具面角度调整精度，避免了以往工具面角度调整精度和效率低下的问题。

附图说明

图1为本发明内部立体结构示意图；

图2为本发明剖视结构示意图；

图3为本发明上转环立体结构示意图；

图4为本发明下转环立体结构示意图。

图中各标号清单为：1.外管，2.扇叶件，3.连接杆，4.限位杆，5.传动丝杠，6.上传扭轴，7.导液管，8.下传扭轴，9.连接轴，10.轴承件，11.限位接头，12.上转环，13.下转环，14.弧形槽，15.推块，16.转轴，17.环形槽，18.定位块，19.限位键，20.密封槽，21.密封凸环，22.复位弹簧，23.限位丝杠螺母，24.钻头部分。

具体实施方式

参看图1、2、3和图4，本发明包括外管1、液压部分、传扭部分和钻头部分24；所述外管1上端与钻杆等钻具连接；所述液压部分随着钻井液液压的变化而随之转动，再带动传扭部分转动，从而调整钻头部分24的钻具工具面角度；所述液压部分设置在外管1内壁上端，且传扭部分设置在外管1内壁下端；所述钻头部分24与传扭部分下端连接；所述液压部分包括扇叶件2、复位机构和传动机构；复位机构用于推动扇叶件2复位；扇叶件2受到高压钻井液的冲击后向下旋转移动，从而带动传动机构向下旋转移动；所述传动机构设置在外管1内部上端，且传动机构外壁上套接扇叶件2和复位机构；所述复位机构和扇叶件2连接；所述扇叶件2设置在传动机构上，复位机构固接外管1内壁上；所述传动机构包括连接杆3、限位杆4、传动丝杠5和上传扭轴6；所述连接杆3、限位杆4、传动丝杠5和上传扭轴6由一根完整的金属管加工而成，且金属管内在轴心线方向上设置有通孔；所述传动丝杠5外壁设有螺纹，限位杆4外壁上端周向对称设置有若干个限位键19；所述限位杆4本体的外径小于限位丝杠螺母23的内径；所述连接杆3、限位杆4、传动丝杠5和上传扭轴6依次首尾相连；所述扇叶件2包括叶环和叶片；所述叶环固定套接在连接杆3的外壁上，且叶片周向对称设置在叶环外壁上；所述复位机构包括复位弹簧22和限位丝杠螺母23；所述限位丝杠螺母23的外壁固接在外管1内壁上；所述限位丝杠螺母23和扇叶件2之间设有复位弹簧22，且复位弹簧22套设在传动机构上；所述限位丝杠螺母23内壁上的内螺纹与传动丝杠5外壁上的外螺纹相互啮合；所述限位丝杠螺母23的外沿部分在轴向方向上设置有多个通孔，所述传动丝杠5外壁上设置有多个指向轴心的贯穿性通孔，限位丝杠螺母23外沿和传动丝杠5外壁上的通孔用于为钻井液提供流通通道，确保叶片周围的钻井液保持流通状态，确保叶片能够接受来自钻井液的冲击；高速钻井液冲击扇叶件2向下旋转移动，从而带动连接杆3在转动的同时向下移动；因为连接杆3、限位杆4、传动丝杠5和上传扭轴6是一整根金属管加工而成，又因为扇叶件2与连接杆3固接，所以扇叶件2向下旋转移动的同时，连接杆3也会一起旋转下移，限位杆4、传动丝杠5和上传扭轴6也会同步旋转和位移；在扇叶件2向下移动的同时，设置于叶环下方的复位弹簧22受力压缩；复位弹簧22的作用在于为扇叶件2提供一个向上的力，确保扇叶件2在钻井液的流速不达要求时不会下移，同时也用于在钻井液液压下降后推动扇叶件2上移复位。

所述传扭部分包括导液管7、下传扭轴8、连接轴9、轴承件10、防反转机构和限位接头11；所述导液管7设置在下传扭轴8内部的通孔内；所述轴承件10的外壁与外管1的内壁下端过盈配合，轴承件10的内壁与下传扭轴8的外壁过盈配合，且轴承件10与下传扭轴8之间有键配合，作用在于阻碍下传扭轴8向上位移，避免在钻进过程中在液压的反作用下，下传扭轴8上移；所述限位接头11外壁与外管1内壁底端螺纹连接，且限位接头11的上端面和连接轴9外壁上端的台阶孔卡接配合，连接轴9穿过限位接头11内部的通孔；所述防反转机构的上端面连接下传扭轴8的下端面，防反转机构的下端面与连接轴9的上端面连接；所述外管1下端内壁上设置有限位座，用于限制轴承件10的位置；限位接头11用于对连接轴9起到限位作用，避免连接轴9连带其连接的部件一起脱离外管1。

在传动机构带动传扭部分旋转调整好钻头角度后，降低钻井液压力，复位弹簧22带动传动机构复位，此时传扭部分不能在传动机构上移的过程中旋转，否则会影响钻头角度，所以为了解决这个问题，设置有防反转机构，

所述防反转机构包括上转环12和下转环13；所述上转环12的上端面固接下传扭轴8的下端面；所述下转环13的下端面和连接轴9的上端面固接；所述上转环12的下端面和下转环13的上端面贴合接触；所述上转环12的下端面设置有若干个弧形槽14；所述弧形槽14内侧壁的一端设置有推块15，推块15内穿设有转轴16，且转轴16的两端设置在弧形槽14内侧壁上；所述下转环13的上端面设置有环形槽17，且环形槽17内周向对称设置有若干个定位块18，且定位块18的数量与推块15数量相同；当上传扭轴6带动下传扭轴8正向旋转的时候，弧形槽14的内壁顶住推块15，使其推动定位块18，从而带动下转环13旋转，下转环13再带动其下方的连接轴9旋转；当钻头角度调整完毕后，降低钻井液压力，复位弹簧22带动扇叶件2复位，从而带动传动机构逆向旋转上移复位，在传动机构旋转上移的过程中，且上传扭轴6和下传扭轴8未脱离之前，下传扭轴8也会随之旋转，从而带动下转环13逆向旋转，此时推块15被定位块18推入弧形槽14内，不再为定位块18提供推力。

所述定位块18的高度小于环形槽17的深度；所述推块15突出弧形槽14部分的长度等于环形槽17的深度；所述推块15的厚度小于弧形槽14的深度，确保了推块15能够顺利被旋转推进弧形槽14内，不再对定位块18提供推力。

所述上传扭轴6和下传扭轴8均为半圆柱状，且其横截面由半圆和S形曲线围成一个封闭曲线，上传扭轴6和下传扭轴8上之间的S形曲线所对应的面完全贴合组成一个完成的圆柱体，当上传扭轴6下移并且与下传扭轴8对接后，带动下传扭轴8旋转。

所述钻头部分24包括无磁钻具、动力钻具和钻头；所述无磁钻具、动力钻具和钻头首尾依次连接，且无磁钻具与连接轴9的下端连接。

为了避免上转环12和下转环13之间在相对转动的时候发生严重渗水，增设有密封槽20和密封凸环21；所述上转环12下端面在靠近内孔边缘和外圆周处均设置有密封凸环21，密封凸环21为圆环状凸起；所述下转环13上端面在靠近内部通孔边缘和外圆周处均设置有密封槽20，密封槽20为圆环状凹槽，且密封凸环21插接入相对应的密封槽20内；密封槽20和密封凸环21的插接配合增强了上转环12和下转环13的密闭性。

所述推块15与弧形槽14弧形端的端面最近距离大于弧形槽14的深度，这就确保了推块15能够顺利收进弧形槽14内；还可以将推块15的外部设置成弯状，这样就可以确保在推块15和定位块18接触的时候是面接触，增大了推块15的使用寿命。

常规钻进排量的泥浆经由上部钻具内部水眼进入外管1内部，一部分泥浆经由传动机构内部的同心通孔及导液管7流进传扭部分内部同心通孔中，再进入连接于传扭部分下端的无磁钻具、动力钻具内，再经由钻头水眼流出；进入外管1内的另一部分流体通过扇叶件2，并通过限位丝杠螺母23外沿和传动丝杠5外壁上的通孔流至导液管7内。

当需要调整下端定向工具的工具面角时，通过提高泥浆的排量，在高速泥浆的冲击力作用下驱使扇叶件2向下旋转移动，同时压缩复位弹簧22并驱动传动机构旋转、向下移动，当传动机构最下端的上传扭轴6向下移动至接近下传扭轴8上端面时，限位杆4进入限位丝杠螺母23内部，此时传动丝杠5和限位丝杠螺母23脱离螺纹连接关系；传动机构继续下行直至上传扭轴6下部与下传扭轴上部对接配合；在高排量的泥浆作用下，扇叶件2继续下行但传动机构因限位杆4上端外侧的限位键19作用而无法下行，因此，在扇叶件2的驱使下传动机构发生旋转，同时带动下部的下传扭轴8，与下传扭轴8下端的无磁钻具、无磁钻具内部的随钻测量工具、下部的弯外壳动力钻具及钻头同步发生旋转；根据随钻测量工具实时测量并反馈至地表的井下动力钻具的工具面角数据，在接近设计调整的工具面角时将泥浆排量调整至正常钻进时的范围，泥浆排量降低之后，扇叶件2上端受到的压力小于复位弹簧22的反作用力，在复位弹簧22的作用下扇叶件2旋转上行，同时带动传动机构上行、旋转并脱离下传扭轴8，在此期间因防反转机构的作用，下传扭轴8及下部钻具不受影响。

Claims (10)

1.一种可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，其特征在于：包括外管（1）、液压部分、传扭部分和钻头部分（24）；所述液压部分设置在外管（1）内壁上端，且传扭部分设置在外管（1）内壁下端；所述钻头部分（24）与传扭部分下端连接；所述液压部分包括扇叶件（2）、复位机构和传动机构；所述传动机构设置在外管（1）内部上端，且传动机构外壁上设置有扇叶件（2）和复位机构；所述复位机构和扇叶件（2）连接；所述扇叶件（2）设置在传动机构上，且复位机构固接外管（1）内壁上；所述传动机构包括连接杆（3）、限位杆（4）、传动丝杠（5）和上传扭轴（6）；所述连接杆（3）、限位杆（4）、传动丝杠（5）和上传扭轴（6）依次首尾相连；所述扇叶件（2）包括叶环和叶片；所述叶环固定套接在连接杆（3）的外壁上，且叶片周向对称设置在叶环外壁上；所述复位机构包括复位弹簧（22）和限位丝杠螺母（23）；所述限位丝杠螺母（23）的外壁固接在外管（1）内壁上；所述限位丝杠螺母（23）和叶环之间设有复位弹簧（22），且复位弹簧（22）套设在传动机构上；所述限位丝杠螺母（23）内壁上的内螺纹与传动丝杠（5）外壁上的外螺纹相互啮合；所述限位丝杠螺母（23）的外沿部分在轴向方向上设置有多个通孔；所述传动丝杠（5）外壁上设置有多个指向轴心的贯穿性通孔。

2.根据权利要求1所述的可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，其特征在于：所述传扭部分包括导液管（7）、下传扭轴（8）、连接轴（9）、轴承件（10）、防反转机构和限位接头（11）；所述导液管（7）设置在下传扭轴（8）内部的通孔内；所述轴承件（10）的外壁与外管（1）的内壁下端过盈配合，轴承件（10）的内壁与下传扭轴（8）的外壁过盈配合；所述限位接头（11）外壁与外管（1）内壁底端螺纹连接，且限位接头（11）的上端面和连接轴（9）外壁上端的台阶孔卡接配合，连接轴（9）穿过限位接头（11）内部的通孔；所述防反转机构的上端面连接下传扭轴（8）的下端面，防反转机构的下端面与连接轴（9）的上端面连接。

3.根据权利要求2所述的可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，其特征在于：所述防反转机构包括上转环（12）和下转环（13）；所述上转环（12）的上端面固接下传扭轴（8）的下端面；所述下转环（13）的下端面和连接轴（9）的上端面固接；所述上转环（12）的下端面和下转环（13）的上端面贴合接触；所述上转环（12）的下端面设置有若干个弧形槽（14）；所述弧形槽（14）内侧壁的一端设置有推块（15），推块（15）内穿设有转轴（16），且转轴（16）的两端设置在弧形槽（14）内侧壁上；所述下转环（13）的上端面设置有环形槽（17），且环形槽（17）内周向对称设置有若干个定位块（18），且定位块（18）的数量与推块（15）数量相同。

4.根据权利要求3所述的可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，其特征在于：所述定位块（18）的高度小于环形槽（17）的深度；所述推块（15）突出弧形槽（14）部分的长度等于环形槽（17）的深度；所述推块（15）的厚度小于弧形槽（14）的深度。

5.根据权利要求4所述的可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，其特征在于：所述上传扭轴（6）和下传扭轴（8）均为半圆柱状，所述半圆柱状的横截面由半圆和S形曲线围成一个封边曲线，且上传扭轴（6）和下传扭轴（8）上之间的S形曲线所对应的面完全贴合组成一个完成的圆柱体。

6.根据权利要求5所述的可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，其特征在于：所述连接杆（3）、限位杆（4）、传动丝杠（5）、上传扭轴（6）、下传扭轴（8）、防反转机构和连接轴（9）的内部在轴心线方向上设置有等内径的通孔；所述下传扭轴（8）内的通孔内径等于导液管（7）外径。

7.根据权利要求6所述的可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，其特征在于：所述限位杆（4）外壁上端周向对称设置有若干个限位键（19）；所述限位杆（4）本体的外径小于限位丝杠螺母（23）的内径。

8.根据权利要求7所述的可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，其特征在于：所述钻头部分（24）包括无磁钻具、动力钻具和钻头；所述无磁钻具、动力钻具和钻头首尾依次连接，且无磁钻具与连接轴（9）的下端连接。

9.根据权利要求8所述的可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，其特征在于：增设有密封槽（20）和密封凸环（21）；所述上转环（12）下端面在靠近内孔边缘和外圆周处均设置有密封凸环（21），密封凸环（21）为圆环状凸起；所述下转环（13）上端面在靠近内部通孔边缘和外圆周处均设置有密封槽（20），密封槽（20）为圆环状凹槽，且密封凸环（21）插接入相对应的密封槽（20）内。

10.根据权利要求9所述的可在井下调整定向钻具工具面角的钻具，其特征在于：所述推块（15）与弧形槽（14）弧形端的端面最近距离大于弧形槽（14）的深度。

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